bugorwiki.info
на главную

Дизельный выхлоп

Тепловоз Deltic класса 55 с характерным плотным выхлопом при запуске поезда

Дизельный выхлоп - это газообразный выхлоп, производимый дизельным двигателем внутреннего сгорания, плюс любые содержащиеся в нем частицы. Его состав может варьироваться в зависимости от типа топлива или скорости потребления или скорости работы двигателя (например, на холостом ходу или на скорости или под нагрузкой), а также от того, находится ли двигатель в дорожном транспортном средстве, сельскохозяйственном транспортном средстве, локомотиве, морском судне, или стационарный генератор или другое применение.

Дизельный выхлоп является канцерогеном группы 1, который вызывает рак легких и имеет положительную связь с раком мочевого пузыря. Он содержит несколько веществ, которые IARC также перечисляет индивидуально как канцерогены для человека.

Существуют способы уменьшения оксидов азота (NOx) и твердых частиц (ТЧ) в выхлопных газах.

Состав

вид Доля Единица измерения
N2 ~ 67 %
СО2 ~ 12 %
H2O ~ 11 %
O2 ~ 9 %
NOx 50-1000 м.д.
твердые частицы 1-30 мг / м3
Колорадо 100-500 м.д.

Основными продуктами сгорания нефтяного топлива в воздухе являются углекислый газ, вода и азот. Другие компоненты существуют в основном от неполного сгорания и пиросинтеза. Хотя распределение отдельных компонентов неочищенного (необработанного) дизельного выхлопа варьируется в зависимости от таких факторов, как нагрузка, тип двигателя и т. Д., В соседней таблице приведен типичный состав.

Физические и химические условия, которые существуют внутри любых таких дизельных двигателей при любых условиях, значительно отличаются от двигателей с искровым зажиганием, потому что по конструкции мощность дизельного двигателя напрямую контролируется подачей топлива, а не контролем воздушно-топливной смеси, так как в обычных бензиновых двигателях. В результате этих различий дизельные двигатели, как правило, производят другой набор загрязняющих веществ, чем двигатели с искровым приводом, различия, которые иногда являются качественными (какие есть, а какие нет), но чаще количественными (сколько конкретных загрязняющих веществ или классы загрязнителей присутствуют в каждом). Например, дизельные двигатели производят одну двадцать восьмую окиси углерода, что и бензиновые двигатели, поскольку они сжигают свое топливо в избытке воздуха даже при полной нагрузке.

Тем не менее, бедный характер дизельных двигателей, а также высокие температуры и давления в процессе сгорания приводят к значительному образованию газообразных оксидов азота (NOx), загрязнителя воздуха, который представляет собой уникальную проблему в отношении их снижения. Хотя общее количество оксидов азота в бензиновых автомобилях сократилось примерно на 96% благодаря внедрению каталитических нейтрализаторов выхлопных газов с 2012 года, дизельные автомобили по-прежнему производят оксиды азота на уровне, аналогичном тем, которые были куплены 15 лет назад в ходе реальных испытаний; следовательно, дизельные автомобили выделяют в 20 раз больше оксидов азота, чем бензиновые. Современные дорожные дизельные двигатели, как правило, используют системы селективного каталитического восстановления (SCR) для соблюдения законов о выбросах, поскольку другие методы, такие как рециркуляция отработавших газов (EGR), не могут адекватно снизить NOx, чтобы соответствовать более новым стандартам, применимым во многих юрисдикциях. Вспомогательные дизельные системы, предназначенные для устранения загрязняющих оксидов азота, описаны в отдельном разделе ниже.

Кроме того, мелкие частицы (мелкие твердые частицы) в выхлопных газах дизельного топлива (например, сажа, иногда видимая в виде непрозрачного темного дыма) традиционно вызывают большую обеспокоенность, поскольку представляют различные проблемы для здоровья и редко образуются в значительных количествах под действием искры. двигатели зажигания. Эти особенно вредные загрязняющие частицы находятся на пике, когда такие двигатели работают без достаточного количества кислорода для полного сгорания топлива; когда дизельный двигатель работает на холостом ходу, обычно достаточно кислорода для полного сгорания топлива. (Потребность в кислороде в двигателях, не работающих на холостом ходу, обычно снижается с помощью турбонаддува.) С точки зрения выбросов частиц, выхлопные газы от дизельных транспортных средств, как сообщается, значительно более вредны, чем выхлопные газы от бензиновых транспортных средств.

Дизельные выхлопы, давно известные своими характерными запахами, значительно изменились с уменьшением содержания серы в дизельном топливе и снова, когда в выхлопных системах были введены каталитические нейтрализаторы. Несмотря на это, выхлопные газы дизеля по-прежнему содержат множество неорганических и органических загрязнителей в различных классах и в различных концентрациях (см. Ниже), в зависимости от состава топлива и условий работы двигателя.

Химические классы

Ниже приведены классы химических соединений, которые были обнаружены в дизельном выхлопе.

Класс химического загрязнения Заметка
соединения сурьмы Токсичность аналогична отравлению мышьяком
соединения бериллия Канцерогены IARC группы 1
соединения хрома Канцерогены IARC Group 3
соединения кобальта
цианидные соединения
диоксины и дибензофураны
соединения марганца
соединения ртути Канцерогены IARC Group 3
оксиды азота 5,6 промилле или 6500 мкг / м³
полициклические органические вещества, в том числе
полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)
соединения селена
соединения серы

Специальные химикаты

Ниже приведены классы специфических химикатов, которые были обнаружены в дизельном выхлопе. требуется проверка страницы

Химический загрязнитель Заметка Концентрация, промилле
ацетальдегид IARC Group 2B (возможные) канцерогены
акролеин Канцерогены IARC Group 3
анилин Канцерогены IARC Group 3
мышьяк Канцерогены IARC Group 1, эндокринный разрушитель
бензол Канцерогены IARC группы 1
дифенил Легкая токсичность
бис (2-этилгексил) фталат Эндокринный разрушитель
1,3-Бутадиен Канцерогены IARC Group 2A
кадмий Канцерогены IARC Group 1, эндокринный разрушитель
хлор Побочный продукт инъекции мочевины
хлорбензол «из-за умеренной» токсичности
cresol§
дибутилфталат Эндокринный разрушитель
1,8-dinitropyrene Сильно канцерогенный
этилбензол
формальдегид Канцерогены IARC группы 1
неорганический свинец Эндокринный разрушитель
метанол
метилэтилкетон
нафталин Канцерогены IARC Group 2B
никель Канцерогены IARC Group 2B
3-нитробензантрон (3-НБА) Сильно канцерогенный 0.6-6.6
4-нитробифенил Раздражает, повреждает нервы / печень / почки 2,2
фенол
фосфор
пирена 3532-8002
Бензо (е) пирена 487-946
Бензо (а) пирена IARC Группа 1 канцероген 208-558
Флюорантен Канцерогены IARC Group 3 3399-7321
пропионовый
стирол Канцерогены IARC Group 2B
толуол Канцерогены IARC Group 3
xylene§ Канцерогены IARC Group 3

§ Включает все региоизомеры этого ароматического соединения. См. Орто-, мета- и параизомерные описания в статье каждого соединения.

Водяной пар

Выхлоп автомобиля содержит много водяного пара. Были исследованы способы, которыми войска в пустынях могут восстанавливать питьевую воду из выхлопных газов своих транспортных средств.

регулирование

Дополнительная информация: стандарт выбросов и внедорожный дизельный двигатель § Стандарты выбросов

Международный и федеральный

Разнообразный

Чтобы быстро снизить содержание твердых частиц в дизельных двигателях большой мощности в Калифорнии, Калифорнийский совет по воздушным ресурсам создал программу Карла Мойера для финансирования модернизации двигателей в преддверии норм выбросов. В 2008 году Калифорнийский совет по воздушным ресурсам также внедрил в штате Калифорния 2008 года правило о грузовиках и автобусах, которое требует, чтобы все сверхмощные дизельные грузовики и автобусы, за некоторыми исключениями, работали в Калифорнии либо для модернизации, либо для замены двигателей с целью уменьшения твердых частиц дизельного топлива. , В январе 2001 года Администрация по безопасности и гигиене труда на шахтах США (MSHA) выпустила санитарный стандарт, предназначенный для снижения воздействия выхлопных газов дизельных двигателей на подземные рудники из металла и неметаллов; 7 сентября 2005 года MSHA опубликовал в Федеральном реестре уведомление с предложением перенести дату вступления в силу с января 2006 года до января 2011 года.

Проблемы со здоровьем

Общие проблемы

Сообщалось, что выбросы от дизельных транспортных средств являются значительно более вредными, чем выбросы от бензиновых транспортных средств. Дизельные выхлопные газы являются источником атмосферной сажи и мелких частиц, которые являются компонентом загрязнения воздуха, связанного с раком человека, повреждением сердца и легких и психическим функционированием. Кроме того, дизельные выхлопные газы содержат загрязняющие вещества, перечисленные IARC (часть Всемирной организации здравоохранения Организации Объединенных Наций) в качестве канцерогенных для человека, которые присутствуют в их Списке канцерогенов IARC группы 1. Считается, что загрязнение выхлопных газов дизельными двигателями составляет около четверти загрязнения воздуха в предыдущие десятилетия, а также высокий процент заболеваний, вызванных автомобильным загрязнением.

Профессиональные последствия для здоровья

Два дизельных монитора твердых частиц

Воздействие выхлопных газов дизельного топлива и твердых частиц (DPM) представляет собой профессиональную опасность для дальнобойщиков, железнодорожников и жителей жилых домов в непосредственной близости от железнодорожной станции, а также шахтеров, использующих дизельное оборудование в подземных шахтах. Неблагоприятные последствия для здоровья также наблюдались в общей популяции при концентрациях частиц в атмосферном воздухе значительно ниже концентраций в профессиональных условиях.

В марте 2012 года ученые правительства США показали, что подземные шахтеры, подвергающиеся воздействию высоких уровней паров дизельного топлива, имеют в три раза больший риск заражения раком легких по сравнению с теми, кто подвергается воздействию низких уровней. Исследование Diesel Exhaust in Miners за 11,5 миллионов долларов (DEMS) последовало за 12 315 шахтерами, которые контролировали ключевые канцерогены, такие как сигаретный дым, радон и асбест. Это позволило ученым изолировать воздействие паров дизеля.

На протяжении более 10 лет в США поднималась обеспокоенность по поводу воздействия на детей DPM, когда они ездят на школьных автобусах с дизельным двигателем в школу и из школы. В 2013 году Агентство по охране окружающей среды (EPA) учредило инициативу «Чистый школьный автобус в США», стремясь объединить частные и общественные организации в борьбе со студентами.

Опасения относительно частиц

Тяжелый грузовик с видимой сажей

Твердые частицы дизельного топлива (DPM), иногда называемые также частицами дизельного выхлопа (DEP), являются компонентом твердых частиц дизельного выхлопа, который включает дизельную сажу и аэрозоли, такие как твердые частицы золы, металлические абразивные частицы, сульфаты и силикаты. При попадании в атмосферу DPM может принимать форму отдельных частиц или агрегатов цепей, большинство из которых находится в невидимом субмикрометровом диапазоне 100 нанометров, также известном как ультрадисперсные частицы (UFP) или PM0.1.

Основная фракция частиц дизельного выхлопа состоит из мелких частиц. Из-за их небольшого размера вдыхаемые частицы могут легко проникать глубоко в легкие. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) в выхлопе стимулируют нервы в легких, вызывая рефлекторный кашель, хрипы и одышку. Шероховатая поверхность этих частиц позволяет им легко связываться с другими токсинами в окружающей среде, увеличивая тем самым опасность вдыхания частиц.

Омидварборна и его коллеги сообщили об исследовании выбросов твердых частиц (ТЧ) из транзитных автобусов, работающих на ULSD, и смеси биодизеля и обычного дизельного топлива (B20), где они пришли к выводу, что выбросы ТЧ оказались ниже в случаях использования смешанного дизельного топлива / биодизеля, где они зависели от модели двигателя, режимов холодного и горячего холостого хода и типа топлива, а также то, что тяжелые металлы в ТЧ, выбрасываемые во время горячего холостого хода, были больше, чем металлы из холодного холостого хода; Предполагалось, что причины сокращения выбросов ТЧ в биодизельном топливе связаны с кислородсодержащей структурой биодизельного топлива, а также с изменениями в технологии (включая использование каталитического нейтрализатора в этой испытательной системе). Другие исследования пришли к выводу, что, хотя в определенных конкретных случаях (например, при низких нагрузках, более насыщенном сырье и т. Д.) Выбросы NOx могут быть ниже, чем при использовании дизельного топлива, в большинстве случаев выбросы NOx выше, а выбросы NOx даже увеличиваются по мере увеличения смешивается биотопливо. Чистый биодизель (B100) даже имеет выбросы NOx на 10-30% больше по сравнению с обычным дизельным топливом.

Специфические эффекты

Воздействия были связаны с острыми кратковременными симптомами, такими как головная боль, головокружение, бред, тошнота, кашель, затрудненное или затрудненное дыхание, стеснение в груди и раздражение глаз, носа и горла. Длительное воздействие может привести к хроническим, более серьезным проблемам со здоровьем, таким как сердечно-сосудистые заболевания, сердечно-легочные заболевания и рак легких. Элементарный углерод, связанный с трафиком, был в значительной степени связан с одышкой в ​​возрасте 1 года и постоянным одышкой в ​​возрасте 3 лет в когортном исследовании по изучению аллергии и загрязнения воздуха в Цинциннати.

В настоящее время финансируемый NERC-HPA проект «Загрязнение дорожного движения и здоровье в Лондоне» в Королевском колледже Лондона в настоящее время стремится улучшить понимание воздействия загрязнения дорожного движения на здоровье человека. Загрязнение воздуха, связанное с окружающим движением, было связано со снижением когнитивных функций у пожилых мужчин.

Согласно официальному отчету 2352 Umweltbundesamt Berlin (Федеральное агентство по охране окружающей среды Германии), смертность от воздействия дизельной сажи в 2001 году составляла не менее 14 400 человек из 82 миллионов населения Германии.

Изучение наночастиц и нанотоксикологии находится в зачаточном состоянии, а воздействие на здоровье наночастиц, производимых всеми типами дизельных двигателей, все еще не выявлено. Ясно, что вредные для здоровья дизельные выбросы мелких частиц являются серьезными и широко распространенными. Хотя одно исследование не нашло никаких существенных доказательств того, что кратковременное воздействие выхлопных газов дизеля приводит к неблагоприятным внелегочным эффектам, эффектам, которые коррелируют с увеличением сердечно-сосудистых заболеваний, исследование 2011 года в The Lancet пришло к выводу, что воздействие дорожного движения является единственным наиболее серьезным предотвратимым триггером сердечный приступ у населения, как причина 7,4% всех приступов. Невозможно сказать, какая часть этого эффекта вызвана стрессом, возникающим в пробке, а какая - воздействием выхлопных газов.

Поскольку изучение вредных воздействий наночастиц на здоровье (нанотоксикология) все еще находится в зачаточном состоянии, характер и степень негативного воздействия выхлопных газов на здоровье продолжают изучаться. Однако существует мало споров о том, что воздействие дизелей на здоровье населения выше, чем у автомобилей, работающих на бензине, несмотря на большую неопределенность.

Вариация с условиями двигателя

Типы и количество наночастиц могут варьироваться в зависимости от рабочих температур и давлений, наличия открытого пламени, основного типа топлива и топливной смеси и даже атмосферных смесей. Таким образом, полученные типы наночастиц из разных технологий двигателей и даже из разных видов топлива не обязательно сопоставимы. Одно исследование показало, что 95% летучего компонента дизельных наночастиц - это несгоревшее смазочное масло. Долгосрочные последствия все еще нуждаются в дальнейшем уточнении, а также влияние на восприимчивые группы людей с сердечно-легочными заболеваниями.

Дизельные двигатели могут выделять из выхлопных газов черную сажу (или, более конкретно, частицы дизельного топлива). Черный дым состоит из углеродных соединений, которые не сгорели из-за локальных низких температур, когда топливо не полностью распылено. Эти локальные низкие температуры возникают на стенках цилиндров и на поверхности крупных капель топлива. В тех областях, где это относительно холодно, смесь богата (в отличие от общей смеси, которая является бедной). Богатая смесь имеет меньше воздуха для сжигания, а часть топлива превращается в углеродистые отложения. Современные автомобильные двигатели используют дизельный сажевый фильтр (DPF) для улавливания частиц углерода, а затем периодически сжигают их, используя дополнительное топливо, впрыскиваемое непосредственно в фильтр. Это предотвращает накопление углерода за счет расточительства небольшого количества топлива.

Предел полной нагрузки дизельного двигателя при нормальной эксплуатации определяется «пределом черного дыма», после которого топливо не может быть полностью сожжено. Поскольку «предел черного дыма» все еще значительно меньше стехиометрического, можно получить больше мощности, превышая его, но получающееся в результате неэффективное сгорание означает, что дополнительная мощность достигается за счет снижения эффективности сгорания, высокого расхода топлива и плотных облаков. дыма Это делается только в высокопроизводительных приложениях, где эти недостатки не имеют большого значения.

При запуске с холода эффективность сгорания двигателя снижается, потому что холодный блок двигателя отводит тепло из цилиндра в такте сжатия. В результате топливо сгорает не полностью, что приводит к сине-белому дыму и снижению выходной мощности, пока двигатель не прогреется. Это особенно актуально для двигателей с непрямым впрыском, которые менее термически эффективны. С электронным впрыском, время и длина последовательности впрыска могут быть изменены, чтобы компенсировать это. Более старые двигатели с механическим впрыском могут иметь механическое и гидравлическое управление регулятором для изменения времени и многофазные электрические свечи накаливания, которые остаются включенными в течение некоторого времени после запуска, чтобы обеспечить чистое сгорание; штепсельные вилки автоматически переключаются на более низкую мощность, чтобы предотвратить их выгорание.

Экологические эффекты

Эксперименты 2013 года показали, что дизельные выхлопы ослабляют способность пчел обнаруживать запах цветов масличного рапса.

средства защиты

генеральный

С ужесточением норм выбросов дизельные двигатели должны стать более эффективными и иметь меньше загрязняющих веществ в выхлопных газах. Например, легковой грузовик теперь должен иметь выбросы NOx менее 0,07 г / милю, когда? а в США к 2010 году выбросы NOx должны составлять менее 0,03 г / милю. Кроме того, в последние годы Соединенные Штаты, Европа и Япония расширили правила контроля за выбросами, включив в него дорожные транспортные средства, включив в них сельскохозяйственные машины и локомотивы, морские суда и стационарные генераторы. Изменение в отношении другого топлива (например, диметилового эфира и другие биоэфиры (например, диэтиловый эфир), как правило, являются очень эффективным средством для уменьшения загрязняющих веществ, таких как NOx и CO. При работе, например, на диметиловом эфире (DME), выбросы твердых частиц практически отсутствуют, и использование дизельных сажевых фильтров может даже быть опущенным. Кроме того, учитывая, что ДМЭ может быть получен из отходов животноводства, пищевых продуктов и сельского хозяйства, он может быть даже нейтральным в отношении углерода (в отличие от обычного дизельного топлива). Смешивание биоэфира (или другого топлива, такого как водород) с обычным дизельным топливом также имеет тенденцию оказывать благотворное влияние на выбрасываемые загрязнители. В дополнение к замене топлива американские инженеры также разработали два других принципа и системы для всех продуктов, представленных на рынке, которые соответствуют критериям выбросов, принятым в США в 2010 году, для цитирования необходимо избирательное некаталитическое восстановление (SNCR) и рециркуляция отработавших газов ( EGR). Оба находятся в выхлопной системе дизельных двигателей, и в дальнейшем предназначены для повышения эффективности.

Селективное каталитическое восстановление

Селективное каталитическое восстановление (SCR) впрыскивает восстановитель, такой как аммиак или мочевина - последний водный, где это известно как дизельная выхлопная жидкость, DEF) - в выхлоп дизельного двигателя, чтобы преобразовать оксиды азота (NOx) в газообразный азот и воду , Были разработаны прототипы систем SNCR, которые снижают 90% NOx в выхлопной системе, а коммерческие системы несколько ниже. Системы SCR не обязательно нуждаются в фильтрах твердых частиц (PM); когда фильтры SNCR и PM объединены, было показано, что некоторые двигатели экономят топливо на 3-5%. Недостатком системы SCR, в дополнение к дополнительным затратам на разработку (которые могут быть компенсированы соблюдением нормативных требований и улучшенной производительностью), является необходимость пополнения восстановителя, периодичность которого зависит от пробега, коэффициентов нагрузки и часов. используемый. требуется полное цитирование, необходим лучший источник. Система SNCR не так эффективна при более высоких оборотах в минуту (об / мин). SCR оптимизируется, чтобы иметь более высокую эффективность при более широких температурах, быть более долговечным и удовлетворять другие коммерческие потребности.

Рециркуляция выхлопных газов

Основная статья: Рециркуляция выхлопных газов § В дизельных двигателях
Смотрите также: Впрыск воды (двигатель)

Рециркуляция выхлопных газов (EGR) в дизельных двигателях может использоваться для получения более богатой смеси топлива с воздухом и более низкой пиковой температуры сгорания. Оба эффекта уменьшают выбросы NOx, но могут отрицательно сказаться на эффективности и производстве частиц сажи. Более богатая смесь достигается за счет вытеснения части всасываемого воздуха, но она все еще бедна по сравнению с бензиновыми двигателями, которые приближаются к стехиометрическому идеалу. Более низкая пиковая температура достигается теплообменником, который отводит тепло перед повторным входом в двигатель и работает благодаря более высокой удельной теплоемкости выхлопных газов, чем воздух. При большей выработке сажи, EGR часто объединяется с фильтром твердых частиц (PM) в выхлопе. В двигателях с турбонаддувом EGR нуждается в регулируемом перепаде давления на выпускном коллекторе и впускном коллекторе, что может быть достигнуто с помощью такой техники, как использование турбонагнетателя с изменяемой геометрией, который имеет направляющие лопатки на турбине для создания противодавления выхлопных газов в направляющей выпускного коллектора выхлопной газ на впускной коллектор. Это также требует дополнительных внешних трубопроводов и клапанов, и поэтому требует дополнительного обслуживания.

Комбинированные системы

Компания John Deere, производитель сельскохозяйственного оборудования, реализует такую ​​комбинированную конструкцию SCR-EGR в 9-литровом дизельном двигателе «inline 6», который включает в себя оба типа систем, фильтр PM и дополнительные технологии катализатора окисления. необходим лучший источник . Комбинированная система включает в себя два турбонагнетателя, первый на выпускном коллекторе, с изменяемой геометрией и содержащий систему EGR; и второй турбокомпрессор с фиксированной геометрией. Рециркулируемый выхлопной газ и сжатый воздух из турбонагнетателей имеют отдельные охладители, и воздух сливается до поступления во впускной коллектор, а все подсистемы управляются центральным блоком управления двигателя, который оптимизирует минимизацию выбросов загрязняющих веществ в выхлопных газах.

Другие средства правовой защиты

Air Ink разработала новую технологию, которая была испытана в 2016 году и которая собирает углеродные частицы с помощью цилиндрического устройства «Kaalink», которое устанавливается в выхлопную систему автомобиля, после обработки для удаления тяжелых металлов и канцерогенов компания планирует использовать углерод для сделать чернила.


просмотров: 214